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高增益低功耗CMOS運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2007-03-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

  隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字電視也得到了迅猛發(fā)展,其中視頻數(shù)字編解碼芯片是它的核心部件,而ADC又是影響其性能的關(guān)鍵模塊,因此設(shè)計(jì)高性能的模擬前端ADC成為Ic設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)了一種在12位精度、80MHz采樣率的ADC中負(fù)責(zé)采樣保持的核心電路-(OTA)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/258915.htm


運(yùn)放結(jié)構(gòu)的選擇

  根據(jù)ADC的要求可以推算出運(yùn)放的性能指標(biāo),如表1所示,據(jù)此可以選擇運(yùn)放的結(jié)構(gòu)。

  目前常見的三種基本的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 1(a)是簡單的兩級(jí)運(yùn)放,它具有火的輸出擺幅2(Vdd-2Vds,sat),但頻率特性差,一般用Miller法補(bǔ)償,使得相位裕度變小,但會(huì)導(dǎo)致電路穩(wěn)定性變差。另一種改進(jìn)的補(bǔ)償方式是增加調(diào)零電阻R2=l/Cc(1/gmb-R),但由于工藝的不穩(wěn)定性,難以得到精確的電阻值。圖1(b)是套筒式運(yùn)放,整個(gè)電路可以看成是單極點(diǎn)系統(tǒng),無需補(bǔ)償,因此頻率特性好;又因?yàn)樗挥?條主支路,因此功耗低,但輸入/輸出擺幅小。圖1(c)是折疊式共源共柵結(jié)構(gòu),它改進(jìn)了套筒式輸入/輸出擺幅小的缺點(diǎn),但存在4條主支路,功耗大且穩(wěn)定性變差。綜上所述,本文結(jié)合圖l(b)、(c)的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了全差分套筒式增益增強(qiáng)型運(yùn)放,如圖2所示,它能滿足高增益帶寬、低功耗等設(shè)計(jì)要求。

電路原理分析

增益倍增

  為了提高增益,在共源共柵結(jié)構(gòu)上附加輔助運(yùn)算放大器,如圖3所示,可以增強(qiáng)共源共柵效應(yīng)。輔助運(yùn)放的放大倍數(shù)為Aadd,通過減小由輸出到輸入管漏極的反饋,輸出可增大Aadd。倍,也即等效于:Rout≈(gm2rds2(Aadd+1)+1)rdsl+rds2。其中,g m2是M2管跨導(dǎo),rds1與rds2:分別為Ml與M2的輸出阻抗。因此電路的直流增益也會(huì)增大同樣的倍數(shù),Av=gm1Rout≈-gm1rds2 (gm2rds2((Aadd+1)+1)。

  同理,給圖2中的套筒式主運(yùn)放加上輔助運(yùn)放后,其直流增益可提高為Av=-gm1[(gm5rds5 rds7 (Aadd_p)// (gm3rds3 (rds9// rds1) Aadd_n)分別是輔助運(yùn)放Aadd_n和Aadd_p。的放大倍數(shù)。圖4中示了n型輔助運(yùn)放A_p的結(jié)構(gòu)。
p型輔助放A_n用于推進(jìn)主運(yùn)放的M 3、M4管,n型輔助運(yùn)放A_p.用于推 進(jìn)主運(yùn)放的M5、M6管。輔助運(yùn)放采用折疊式結(jié)構(gòu),不需要太快的速度和建立時(shí)間,因此其尾電流取為主運(yùn)放的l/10,大大降低了整個(gè)電路的功耗和面積。

頻率響應(yīng)分析

  圖2中全差分套筒式共源共柵運(yùn)放的主極點(diǎn)在P.點(diǎn),頻率為Wpl=-l/RoutCL;次極點(diǎn)位于P2或P3點(diǎn)。通常由于p管的遷移率比n管的遷移率小,因此p管的過驅(qū)動(dòng)電壓較大,導(dǎo)致寬長比W/L。也較大,即P2點(diǎn)的電容比P3的電容大。因此可以認(rèn)為P2點(diǎn)為次主極點(diǎn),wP2=-gm5/cp,其中g(shù)m5為M5管的跨導(dǎo),Cp主要包括M5管的柵源電容c。。和M3管的柵漏電容Ggd。而主運(yùn)放的單位增益頻率為WU=gm1/CL。,其中g(shù)m1為M1管的跨導(dǎo)。當(dāng)加入輔助運(yùn)放時(shí),附加的增益部分與M5管形成閉環(huán),若附加增益部分速度太快,電路就可能變得不穩(wěn)定。又因?yàn)檩o助運(yùn)放增加了一對零極點(diǎn)Wdoiblet,如果設(shè)計(jì)不好,就會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)放的建立特性。因此應(yīng)使這對零極點(diǎn)盡量靠近,并且盡量遠(yuǎn)離主運(yùn)放的單位增益頻率,同時(shí)還要小于主運(yùn)放的次主極點(diǎn),即:βWU Wdoublet WP,其中β是閉環(huán)反饋系數(shù)。


主運(yùn)放和輔助運(yùn)放的設(shè)計(jì)方法

  在設(shè)計(jì)套筒式共源共柵主運(yùn)放時(shí),首先根據(jù)最大輸出擺幅的要求,分配過驅(qū)動(dòng)電壓Vod并設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)。由圖可得:Vout.max=Vdd一(|Vod7|+|Vod5 |),Vout.min=Wod9+Voal+Vod3,設(shè)輸出擺幅為1.5V,則|Vod7|+|Vod5 |+Vod9+V0d1+Vod3=3.3-1.5=1.8V,由于p管M7、M5的遷移率低,給它們均分配0.45V的過驅(qū)動(dòng)電壓,剩余的平均分配給M9、M1、M3各0.3V。再由閥值電壓公式Vgs=Vt+Vod知:允許的最小輸入共模電平等于Vgsl+Vod9=1V,VBl的最小值為Vgs3+Vodl+Vod9=1.3V,Vod5的最大值為:VDD-(|Vgs5+Vod7|)=1.6V。因此,綜合考慮合理設(shè)置其偏置電壓VB4、VIN VG3、VG5、VBl分別為:0.8V、1.2V、1.79V、1.6V、2.21V。

  在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),首先需要手工估算寬長比W/I。,這可以根據(jù)C M 0 S管飽和電流公式IDS=Kn(W/L一)(VGs一VTN)2(1+λVDS)得到,式中器件跨導(dǎo)參數(shù)

  其中COX為單位面積的氧化層電容,N為襯底摻雜濃度,Un為n溝道器件的表面遷移率。同理可計(jì)算P管參數(shù)。

  折疊式共源共柵輔助運(yùn)放的設(shè)計(jì)方法如表2所示,其中設(shè)寬長比Sn=(W/L)n。

仿真驗(yàn)證和結(jié)論

  在Cadence的Spectre平臺(tái)下,本設(shè)計(jì)采用TSMc公司的0.35μmCM0s工藝模型,在3.3V電源電壓下,分別在tt(典型)、sr(慢NMOS,快PMOS)、ff(快NMOS,快PMOS)3種工藝條件下對所設(shè)計(jì)的運(yùn)放進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明,本文采用的增益增強(qiáng)型套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)的全差分cM0s運(yùn)算放大器具有l(wèi)lOdB的直流開環(huán)增益,320MI-Iz的增益帶寬,65。的相位裕度,壓擺率大于200V/lxs,建立時(shí)間小于6ns,功耗小于5.7mW。

結(jié)語

  本文對增益提高技術(shù)的原理和全差分套筒式共源共柵運(yùn)算放大器進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)帶增益提升的全差分折疊式共源共柵運(yùn)算放大器,它能有效地提高增益,同時(shí)對運(yùn)算放大器的速度及穩(wěn)定性等影響很小。因此,該運(yùn)放達(dá)到了設(shè)計(jì)性能的要求,可以運(yùn)用于高速、高精度的ADC等。



評(píng)論


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